基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.02.003

摘要/Abstract

摘要： 通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量，结合侧刃和底刃对切削力的影响，建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法，并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的约束方程。开展切削力系数辨识试验和钛合金螺旋铣孔试验对仿真值进行验证，结果表明，切削力的仿真值与试验值误差较小，平均误差为9.55%，从而验证了斜角切削系数辨识方法的有效性和切削力模型的正确性。

关键词: 螺旋铣孔, 钛合金, 切削力, 斜角切削, 切削力系数辨识

Abstract: By analyzing the machining principles of helical milling and calculating the motion vectors in machining processes， an analytical model of cutting force in helical milling processes was established combined with the influences of side edges and bottom edges on cutting forces. The identification method of cutting force coefficient was put forward based on oblique cutting， and the constraint equations of friction angle， shear angle， and shear stress were derived according to the geometric relationships of oblique cutting processes. The experiments for identification of cutting force coefficient and helical milling of titanium alloys were carried out to verify the simulation values. The results show that the errors between the simulated and the experimental cutting forces are small， while the average error is as 9.55%， which verifies the validity of the oblique cutting coefficient identification method and the correctness of the cutting force model.

Key words: , helical milling, titanium alloy, cutting force, oblique cutting, cutting force coefficient identification

中图分类号:

TG501.3

王海艳, 周秩同, 武晔, 付麒麟. 基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 142-147.

WANG Haiyan, ZHOU Zhitong, WU YeFU Qilin. Modeling of Cutting Force in Helical Milling of Titanium Alloys Based on Oblique Cutting Theory[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(02): 142-147.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.02.003

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2023/V34/I02/142

参考文献

［1］JI C H， LI Y H， QIN X D， et al. 3D FEM Simulation of Helical Milling Hole Process for Titanium Alloy Ti-6Al-4V［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2015， 81（9/12）：1733-1742.
［2］BARMAN A， ADHIKARI R， BOLAR G. Evaluation of Conventional Drilling and Helical Milling for Processing of Holes in Titanium Alloy Ti6Al4V［J］. Materials Today：Proceedings， 2020， 28：2295-2300.
［3］PERESZLAI C， GEIER N. Comparative Analysis of Wobble Milling， Helical Milling and Conventional Drilling of CFRPs［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2020， 106（9/10）：3913-3930.
［4］WANG B， ZHAO H， ZHANG F， et al. Comparison of the Geometric Accuracy of Holes Made in CFRP/Ti Laminate by Drilling and Helical Milling［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 112（11/12）：3343-3350.
［5］PEREIRA R， BRANDO L C， PAIVA A， et al. A Review of Helical Milling Process［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2017， 120（5）：27-48.
［6］SHANG S， QIN X D， LI J H， et al. Modelling of Cutting Forces and Researching Calibration Method in Helical Milling［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2018， 94（5/8）：2949-2960.
［7］李士鹏，田利成，秦旭达，等. 基于螺旋铣孔柔性切削力建模的孔径误差补偿［J］. 天津大学学报（自然科学与工程技术版）， 2017， 50（2）：147-153.
LI Shipeng， TIAN Licheng， QIN Xuda， et al. Diameter Error Compensation Based on Flexible Cutting Force Model in Hole Helical Milling Process［J］. Journal of Tianjin University（Science and Technology）， 2017， 50（2）：147-153.
［8］LIU C Y， WANG G， DARGUSCH M S. Modelling， Simulation and Experimental Investigation of Cutting Forces during Helical Milling Operations［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012， 63：839-850.
［9］REY P A， LEDREF J， SENATORE J， et al. Modelling of Cutting Forces in Orbital Drilling of Titanium Alloy Ti-6Al-4V［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2016， 106：75-88.
［10］ZHANG Z， LIANG Z P， LUO M， et al. A General Method for Calibration of Milling Force Coefficients and Cutter Runout Parameters Simultaneously for Helical End Milling［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 116：2989-2997.
［11］王博，黎柏春，杨建宇，等. 面向球头铣刀多轴铣削加工的铣削力系数辨识［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2018， 39（11）：1630-1635.
WANG Bo， LI Baichun， YANG Jianyu， et al. Milling Force Cofficient Identification for Multi-axis and Ball-end Milling Cutter［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2018， 39（11）：1630-1635.
［12］SRINIVASA Y V， SHUNMUGAM M S. Mechanistic Model for Prediction of Cutting Forces in Micro End-milling and Experimental Comparison［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2013， 67：18-27.
［13］LUO Z W， ZHAO W X， JIAO L， et al. Cutting Force Prediction in End Milling of Curved Surfaces Based on Oblique Cutting Model［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 89：1025-1038.
［14］WANG H Y， WANG J Y， ZHANG J M， et al. Identification and Analysis of Cutting Force Coefficients in the Helical Milling Process［J］. Journal of Advanced Mechanical Design， Systems and Manufacturing， 2020， 14（1）：1-13.
［15］ADEM K A M， FALES R， ElGIZAWY A S. Identification of Cutting Force Coefficients for the Linear and Nonlinear Force Models in End Milling Process Using Average Forces and Optimization Technique Methods［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2015， 79（9/12）：1671-1687.
［16］WAN M， LU M S， ZHANG W H， et al. A New Ternary-mechanism Model for the Prediction of Cutting Forces in Flat End Milling［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 2012， 57：34-45.
［17］谭光宇，刘青山，刘璨，等. 平底立铣刀高速铣削切削力解析建模［J］. 机械科学与技术， 2012， 31（11）：1735-1739.
TAN Guangyu， LIU Qingshan， LIU Can， et al. Analysis Modeling of Cutting Force in High-speed Milling Process for Flat End Mill［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2012， 31（11）：1735-1739.

[1]	高远, 吴琦炜, 宋阳, 渠达. 基于多源传感信息融合的智能刀柄及系统的设计[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 184-191.
[2]	杨自豪, 范增华, 张翔, 高军. 钛合金管内表面的化学辅助磁性剪切增稠抛光实验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 2846-2853.
[3]	王亚辉1, 2, 3, 黄亮1, 2, 刘翔1, 2. 固溶处理对锻/增复合成形TC4钛合金件的显微组织和力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1314-1321.
[4]	齐书韬, 李佳奇, 郑书材, 徐金亭, 孙玉文. 不等前角变螺旋圆弧立铣刀瞬时铣削力建模与系数标定方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 681-687,696.
[5]	郑金滔, 马浩然, 王进, 刘国梁. 超声辅助纳米流体微量润滑车削钛合金实验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 743-752,759.
[6]	周金华1, 2, 齐琪1, 2, 任军学1, 2, 詹梅1, 2. 锥度球头刀四轴铣削TC4残余应力梯度分布反解[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 770-779.
[7]	谭靓1, 2, 樊怡3, 姚倡锋1, 2. 400 ℃高周疲劳下TC17超声冲击强化表面状态演化规律研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 790-801.
[8]	焦纪强1, 2, 蒙峻2, 谢文君2, 郭方准1. 钛合金内衬薄壁腔体结构设计与性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(02): 265-270.
[9]	徐成宇, 张万一, 张天鸿, 朱永伟. 固结磨料小工具头修形抛光钛合金叶片试验研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1606-1612.
[10]	高嵩, 孙荧力, 李奇涵, 盈亮, 郝兆朋, 张邦成. 钛合金型材多点三维热拉弯成形工艺及其微观组织演化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(24): 2986-2995,3014.
[11]	查旭明, 袁智, 秦浩, 袭琳清, 张涛, 姜峰. 钛合金超声冲击强化研究现状及发展趋势[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2269-2287.
[12]	高昆, 任延岫, 朱悦, 齐乐华, 罗俊. 飞机钛合金蒙皮战伤便携气动铣切试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2320-2326.
[13]	韩锐, 李秀红, 王嘉明, 李文辉, 程思源, 杨胜强, . 水平强制振动光整加工对TC4钛合金表面完整性参数的影响[J]. 中国机械工程, 2023, 34(17): 2037-2047.
[14]	季文彬, 邓日清, 戴士杰, 刘春成. 铣削对SLM增材TC4钛合金表面完整性和疲劳性能的影响[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 208-217,225.
[15]	闫艳燕, 闫浩哲, 刘俊利, 牛赢, 王晓博. TC４钛合金纵扭超声磨削力热耦合模型及其试验研究 [J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 65-74.